Phương pháp xử lý sinh học cĩ thể chia thành 2 loại chắnh:
- Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khắ: các vi sinh vật hoạt động trong mơi trường được cung cấp oxy liên tục.
- Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kỵ khắ: các vi sinh vật hoạt động trong mơi trường khơng cĩ oxy.
Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxi hố sinh hố. Để thực hiện q trình này, các chất hữu cơ hồ tan, các chất keo tụ và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chắnh sau:
- Chuyển các chất từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngồi tế bào. - Chuyển hố các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.
- Tốc độ q trình oxi hố sinh hố phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chắnh ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hố là chế độ thuỷ động, hàm lượng oxi trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng.
Điều kiện áp dụng phương pháp sinh học vào xử lý nước thải phải thoả mãn:
- Nước thải khơng cĩ chất độc hại làm chết hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong nước thải.
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
- Chất hữu cơ cĩ trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và năng lượng cho vi sinh vật (hydratcarbon, protein, lipit hồ tan).
- Tỉ số COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0.5 thì cĩ thể áp dụng phương pháp xử lý sinh học.
Ngồi ra cần phải chú ý chọn quần thể vi sinh vật thắch ứng với từng loại nước thải.
3 . 2 VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật rất nhỏ bé, cĩ thể tập hợp lại thành một nhĩm lớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng khơng xác định, chúng cĩ thể tồn tại dưới dạng đơn phân tử, đa phân tử hoặc một nhĩm phân tử. Cĩ thể nĩi, phần lớn vi sinh vật đĩng vai trị rất quan trọng trong các q trình chuyển hĩa sinh hĩa, chúng cĩ tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dịng chảy. Các lồi vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hĩa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tắnh chất dịng vào, điều kiện mơi trường, quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống. Do đĩ, để tăng cường vai trị hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải thì cần phải thiết kế điều kiện mơi trường phù hợp, vắ dụ đối với đa số quá trình xử lý hiếu khắ, cần cĩ các điều kiện thắch hợp như: mơi trường phải đủ thơng thống để cung cấp oxy, đủ các vật chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ nước, đủ N và P (chất dinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hĩa, cĩ pH phù hợp (6,5 Ờ 9), và khơng cĩ các chất gây độc.
Tuy nhiên, khơng phải tất cả các vi sinh vật đều cĩ lợi cho các q trình chuyển hĩa trong xử lý nước thải. Nếu như các điều kiện mơi trường khơng cịn phù hợp cho hoạt động của các lồi vi sinh vật, hoặc số lượng các vi sinh trong hệ thống xử lý tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho q trình chuyển hĩa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải.
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
3.3 SINH THÁI, SINH LÝ, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT
3.3.1 Sinh thái, sinh lý vi sinh vật
Vi sinh vật khơng phải là một nhĩm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cả các sinh vật cĩ kắch thước hiển vi, khơng thấy rõ được bằng mắt thường, do đĩ phải sử dụng kắnh hiển vi thường hoặc kắnh hiển vi điện tử. Ngồi ra muốn nghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới phương pháp nuơi cấy vơ khuẩn. Vi sinh vật cĩ các đặc điểm chung sau đây: [2]; [7]; [8]; [18]
Kắch thước nhỏ bé :
Vi sinh vật thường được đo kắch thước bằng đơn vị micromet (1mm= 1/1000mm
hay 1/1.000.000m). Virus được đo kắch thước đơn vị bằng nanomet
(1nn=1/1.000.000mm hay 1/1.000.000.000m). Kắch thước càng bé thì diện tắch bề mặt
của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tắch càng lớn. Chẳng hạn đường kắnh của 1 cầu khuẩn
(Coccus) chỉ cĩ 1mm, nhưng nếu xếp đầy chúng thành 1 khối lập nhưng cĩ thể lắch là
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Light microscope : KHV quang học Electron microscope : KHV điện tử
Most bacteria: Phần lớn vi khuẩn Hình 3.1 Kắch thước các lồi vi sinh vật
Hấp thu nhiều, chuyển hố nhanh :
Tuy vi sinh vật cĩ kắch thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại cĩ năng lực hấp thu và
chuyển hố vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắc tic (Lactobacillus)
trong 1 giờ cĩ thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100 Ờ 10.000 lần so với khối lượng của chúng. Tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1.000 lần so với đậu tương và gấp 100.000 lần so với trâu bị.
Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh :
Chẳng hạn, 1 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thắch hợp
chỉ sau 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.366.500.000.000.000.000.000 tế bào (4 722 366. 1017), tương đương với 1 khối lượng Ầ 4.722 tấn. Tất nhiên
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
trong tự nhiên khơng cĩ được các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất cĩ hạiẦ). Trong lồi lên men với các điều kiện nuơi cấy thắch hợp, từ 1 tế bào cĩ thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000 Ờ 1.000.000.000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, vắ dụ với men rượu
(Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật khác cịn dài hơn nữa, vắ
dụ với tảo Tiểu cầu (Chlorella) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờẦCĩ thể nĩi
khơng cĩ sinh vật nào cĩ tốc độ sinh sơi nảy nở nhanh như vi sinh vật.
Cĩ năng lực thắch ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị :
Trong q trình tiến hố lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hồ trao đổi chất để thắch ứng được với những điều kiện sống rất khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường khơng thể tồn tại được. Cĩ vi sinh vật sống được ở mơi trường nĩng đến 1300C, lạnh đến 0 - 50C, mặn đến nồng độ 32% muối ăn, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7; áp suất cao đến trên 1.103 at. Hay cĩ độ phĩng xạ cao đến 750.000 rad. Nhiều vi sinh vật cĩ thể phát triển tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khắ, cĩ lồi nấm sợi cĩ thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nồng độ Formol rất caoẦ
Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với mơi trường sống Ầ do đĩ rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở mức 10-5-10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã cĩ thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau. Những biến dị cĩ ắch sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tắnh chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay đã cĩ thể đạt trên 100.000 đơn vị/ml. Khi mới phát hiện ra acid glutamic chỉ đạt 1 - 2g/l thì nay đã đạt đến 150g/ml dịch lên men (VEDAN-Việt Nam).
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Phân bố rộng, chủng loại nhiều :
+ Vi sinh vật cĩ mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong khơng khắ, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vậtẦ
+ Vi sinh vật tham gia tắch cực vào việc thực hiện các vịng tuần hồn sinh - địa -hố học (biogeochemical cycles) như vịng tuần hồn C, vịng tuần hồn N, vịng tuần hồn P, vịng tuần hồn S, vịng tuần hồn FeẦ
+ Trong nước vi sinh vật cĩ nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nơng (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone).
+ Trong khơng khắ thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ắt. Số lượng vi sinh vật trong khơng khắ ở các khu dân cư đơng đúc cao hơn rất nhiều so với khơng khắ trên mặt biển và nhất là trong khơng khắ ở Bắc cực, Nam cựcẦ
+ Hầu như khơng cĩ hợp chất carbon nào (trừ kim cương, đá graphắtẦ) mà khơng là thức ăn của những nhĩm vi sinh vậ nào đĩ (kể cả dầu mỏ, khắ thiên nhiên, formol. DioxinẦ). Vi sinh vật cĩ rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau : quang tự dưỡng (photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy), hố tự dưỡng (chemoautotrophy), hố dị dưỡng (chemoheterotrophy), tự dưỡng chất sinh trưởng (auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph)Ầ
Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất :
Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. Đĩ là các vi sinh vật hố thạch cịn để lại vết tắch trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hố thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J.William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia. Chúng cĩ dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kắnh khoảng 1 - 2 mm và cĩ thành tế bào khá dày. Trước đĩ
các nhà khoa học cũng đã tìm thấy vết tắch của chi Gloeodiniopsis cĩ niên đại cách đây 1,5 tỷ năm và vết tắch của chi Palaeolyngbya cĩ niên đại cách đây 950 triệu năm.
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 3.2 Vết tắch một số lồi vi khuẩn đầu tiên
3.3.2 Phân loại vi sinh vật:
Từ trước đến nay cĩ rất nhiều hệ thống phân loại sinh vật. Các đơn vị phân loại sinh vật nĩi chung và vi sinh vật nĩi riêng đi từ thấp lên cao là Lồi (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom). Hiện nay trên giới cịn cĩ một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain).
Xưa kia John Ray (1627-1705) và Carl Von Linnaeus (1707-1778) chỉ chia ra 2 giới là Thực vật và động vật. Năm 1866 E. H. Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giới Nguyên sinh (Protista). Năm 1969 R. H. Whitaker (1921-1981) đề xuất hệ thống phân loại 5 giới : Khởi sinh (Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) và động vật (Animalia).
+ Khởi sinh bao gồm Vi khuẩn (Bacteria) và Vi khuẩn lam (Cyanobacteria). + Nguyên sinh bao gồm động vật nguyên sinh (Protzoa),
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 3.3 Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật
Gần đây hơn cĩ hệ thống phân loại 6 giới - như 5 giới trên nhưng thêm giới Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) (P. H. Raven, G. B. Johnson, 2002).
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 3.4 Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật
T. Cavalier-Smith (1993) thì lại đề xuất hệ thống phân loại 8 giới:
+ Vi khuẩn thật (Eubacteria), + Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), + Cổ trùng (Archezoa), + Sắc khuẩn (Chromista), + Nấm (Fungi), + Thực vật (Plantae), + Động vật (Animalia).
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Theo R. Cavalier-Smith thì: Cổ trùng (như Giardia) bao gồm các cơ thể đơn bào nguyên thuỷ cĩ nhân thật, cĩ ribosom 70S, chưa cĩ bộ máy Golgi, chưa cĩ ty thể (mitochondria) chưa cĩ thể diệp lục (Chloroplast), chưa cĩ peroxisome. Sắc khuẩn bao gồm phần lớn các cơ thể quang hợp chứa thể diệp lục trong các phiến (lumen) của mạng lưới nội chất nhăn (rough endpplasmic reticulum) chứ khơng phải trong tế bào chất
(cytoplasm), chẳng hạn như Tảo silic , Tảo nâu, Cryptomonas, Nấm nỗn.
Hình 3.5 Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật
Năm 1980, Carl R. Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử phát hiện thấy Cổ khuẩn cĩ sự sai khác lớn trong trật tự nucleotid ở ARN của ribosom 16S và 18S. Ơng đưa ra hệ thống phân loại ba lĩnh giới (Domain) bao gồm: Cổ khuẩn (Archae), Vi khuẩn (Bacteria) và Sinh vật nhân thực (Eucarya).
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 3.6 Hệ thống 3 lĩnh giới (domain)
Sai khác giữa 3 lĩnh giới Bacteria, Archaea và Eukarya được trình bày trên bảng 3.1 dưới đây:
Bảng 3.1 Bảng so sánh 3 lĩnh giới vi sinh vật
Đặc điểm Bacteria Archaea Eukarya Nhân cĩ màng nhân và hạch nhân Khơng Khơng Cĩ Phức hợp bào Khơng Khơng Cĩ
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng quan cĩ màng Thành tế bào Hầu hết cĩ peptidoglycan chứaacid muramic Nhiều loại khác nhau, khơng chứa
acid muramic
Khơng chứa acid muramic
Màng lipid Chứa liên kết este, các acid béo mạch
thẳng
Chứa liên kết ete, các chuỗi aliphatic
phân nhánh
Chứa liên kết este, các acid béo
mạch thẳng Túi khắ Cĩ Cĩ Khơng Thymine cĩ trong phần lớn tARN Khơng cĩ thymine Trong nhánh T
hoặc TyC của tARN Cĩ thymine ARN vận chuyển tARN mở đầu chứa N-formylmethionine tARN mở đầu chứa methionine tARN mở đầu chứa methionine mARN đa cistron Cĩ Cĩ Khơng Intron trong
mARN Khơng Khơng Cĩ Ghép nối, gắn mũ và gắn đuơi polyA vào mARN Khơng Khơng Cĩ Ribosom Kắch thước 70S 70S 80S (ribosom tế bào chất)
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Yếu tố kéo dài
EF2 Khơng phản ứng với
độc tố bạch hầu Cĩ phản ứng Cĩ phản ứng Mẩn cảm với cloramphenicol và kanamycin Mẩn cảm Khơng Khơng Mẫn cảm với anisomycin Khơng Mẫn cảm Mẫn cảm ARN polymerase phụ thuộc ADN
Số lượng enzym Một Một số Ba
Cấu trúc 4 tiểu đơn vị 8-12 tiểu đơn vị 12-14 tiểu đơn vị Mẫn cảm với
rifampicin Mẫn cảm Khơng Khơng Promoter
Polymerase II Khơng Cĩ Cĩ Trao đổi chất
Tương tự ATPase Khơng Cĩ Cĩ Sinh methane Khơng Cĩ Khơng
Cố định N2 Cĩ Cĩ Khơng Quang hợp với
diệp lục
Cĩ Khơng Cĩ
Hố dưỡng vơ cơ Cĩ Cĩ Khơng
Nguồn: Nguyễn Lân Dũng, 2005.
Phần lớn vi sinh vật thuộc về ba nhĩm Cổ khuẩn, Vi khuẩn và Nguyên sinh. Trong giới Nấm, thì nấm men (yeast), nấm sợi (filamentous Fungi) và dạng sợi (mycelia) của mọi nấm lớn đều được coi là vi sinh vật. Như vậy là vi sinh vật khơng cĩ mặt trong hai giới động vật và Thực vật. Người ta ước tắnh trong số 1,5 triệu lồi sinh vật cĩ khoảng
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
200.000 lồi vi sinh vật (100.000 lồi động vật nguyên sinh và tảo, 90.000 lồi nấm, 2.500 lồi vi khuẩn lam và 1.500 lồi vi khuẩn). Tuy nhiên hàng năm, cĩ thêm hàng nghìn lồi sinh vật mới được phát hiện, trong đĩ cĩ khơng ắt lồi vi sinh vật). Theo hệ thống 3 lĩnh giới thì Archaezoa bao gồm Diplomonad, Trichomonad và Microsporidian. Euglenozoa bao gồm Euglenoid và Kinetoplastid. Alveolata bao gồm Dinoflagellate, Apicomplexan, và Ciliate. Strmenopila bao gồm Tảo silic (Diatoms) , Tảo vàng (Golden algae), Tảo nâu (Brown algae) và Nấm sợi sống trong nước (Water mold) . Rhodophyta gồm các Tảo đỏ (Red algae). Riêng Tảo lục (Green algae) thì một
phần thuộc Nguyên sinh (Protista) một phần thuộc Thực vật (Plantae).
3.3.2.1 Vi khuẩn
Theo quan điểm hiện đại (NCBI- National Center for Biotechnology Information,
2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây : Aquificae ỜThermotogae -
Thermodesulfobacteria Ờ Deinococcus - Thermus - Chrysiogenetes - Chloroflexi Ờ Nitrospirae - Defferribacteres - Cyanobacteria - Proteobacteria - Firmicutes Ờ Actinobacteria - Planctomycetes - Chlamydiae/Nhĩm Verrucomicrobia ỜSpirochaetes - Fibrobacteres /Nhĩm Acidobacteria - Bacteroidetes/Nhĩm Chlorobia - Fusobacteria - Dictyoglomi. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý,
sinh hĩa, sinh thái... Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong ADN người ta xây dựng được cây phát sinh chủng loại (Phylogenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhĩm sau đây:
Nhĩm Oxy hố Hydrogen -Nhĩm Chịu nhiệt -Nhĩm Vi khuẩn khơng lưu huỳnh
màu lục -Nhĩm Deinococcus -Nhĩm Vi khuẩn lam -Nhĩm Proteobacteria -Nhĩm Chlamydia -Nhĩm Planctomyces -Nhĩm Spirochaetes (Xoắn thể) -Nhĩm Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục -Nhĩm Cytophaga -Nhĩm Vi khuẩn Gram dương.
Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và